大区电网互联使现代电力系统的规模越来越大,大电网区域间和区域内的弱阻尼或负阻尼问题在实际工程中变得十分突出,低频振荡成为影响电力系统动态稳定性以及远距离传送容量的重要因素。与此同时,可再生能源技术的发展使得电力系统能源结构呈现多元化,其中风电作为最具开发潜力的可再生能源近年来在电网中的渗透率逐年增加。因此,含大规模风电并网系统的低频振荡研究成为一个亟待研究的重要课题。本论文针对永磁直驱变速风电机组(Permanent magnet synchronous generator-based wind turbine system,简称PMSG),在并网风电机组自身的小信号稳定性、风电机组并网后对电力系统低频振荡的影响机理、风电机组形成共振型低频振荡扰动源及其对区域间联络线功率的影响,以及低频振荡抑制等方面开展研究,在模型和机理上取得了创新性成果并获得了一些重要结论。主要工作内容如下：1、研究永磁直驱风电机组并网后自身的小信号稳定性。建立了适用于系统低频振荡分析的PMSG小信号模型；研究了并网PMSG自身的模式特性,分析了各振荡模态的产生机理；并采用特征值法分析了轴系模型、风机控制策略、机网侧参数、控制器参数、风机运行点、并网距离等因素对并网风电机组小信号稳定性的影响。2、研究永磁直驱风电机组并网对电力系统低频振荡的影响机理。建立了含风电并网的电力系统双机模型,将线性化的PMSG方程与电网的线性化方程联立,推导出含PMSG的双机模型的状态方程；通过对系统状态矩阵进行结构和参数的分析,揭示了PMSG与电网及常规同步发电机组动态相互作用的本质以及PMSG并网系统的模式独立特性；最后,在PSCAD/EMTDC的仿真平台上,搭建了含PMSG的两区域四机的仿真系统,并采用非线性时域仿真和基于总体最小二乘法-旋转不变技术(TLS-ESPRIT)的模式辨识算法相结合的方法验证了基于线性化模型得出的结论。3、提出风电机组可能成为电力系统共振型低频振荡的扰动源并推导了扰动源模型。首先,采用了计及风剪切和塔影效应的风机叶轮空气动力学模型,分析了风剪切和塔影效应对风轮机输出机械功率的影响；然后,理论推导了等效风速波动、机械转矩波动、电磁转矩波动三者之间的关系式；最后,通过时域仿真,分析了风机运行点和不同脉动分量与风电机组输出功率波动的关系,阐明了风电机组成为共振型低频振荡扰动源的原因和条件。4、结合风电场-飞轮储能系统联合运行的背景,提出利用飞轮储能系统消除风电场成为共振型低频振荡扰动源的方法。设计了以风电场输出有功功率和飞轮转速为控制信号的参考功率控制器,并给出了飞轮储能参考功率的计算方法。基于Matlab/Simulink的仿真实验表明,飞轮储能系统能够准确补偿风电场输出的三次脉动功率的波动,从而减小了风电场引发共振型低频振荡的风险。5、针对由塔影效应引起的风电场输出的周期性功率脉动,研究其对弱互联系统区域间联络线功率影响的规律。综合考虑风电机组和电力系统的相互影响,建立了含PMSG的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型,推导了风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数,提出采用频域法量化分析联络线功率发生大幅振荡的条件,并通过联络线功率波动幅值的解析表达式得出影响波动幅值的因素。分析表明,风电场的塔影效应可能导致联络线出现大幅的功率波动。最后,在PSCAD/EMTDC和DSATools的仿真平台上,分别搭建含PMSG风电场的两区域四机系统和美国西部WECC-127母线系统,并用非线性时域仿真验证了理论分析的正确性。